Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal Dr. Vincze Árpád vincze@oah.hu

Mitől függ a kölcsönhatás? VÁLASZ: Az anyag felépítése A sugárzások típusai, forrásai és főbb tulajdonságai A sugárzások és az anyag lehetséges fizikai kölcsönhatásai Kémiai hatások

Atomok és molekulák H-atom: e- p+ ~10-10m 1906- Rutherford: az atommag sugara

1932 - Chadwick felfedezte a neutront: Z db elektron a héjakon, Z db proton és A-Z db neutron a magban A tömegszám Vegyjel Z A = Z + N rendszám Azonos A ======> IZOBÁROK Azonos Z ======> IZOTÓPOK Azonos N ======> IZOTÓNOK

A proton és a neutron finomszerkezete A neutron nem stabilis, átlagos élettartalma 16.9 perc: A neutron és a proton is tovább osztható! ==============> STANDARD MODELL

Az atom finomszerkezete

Elemi részecskék - 1996

Alapvető kölcsönhatások

Az egyes sugárzások típusai és forrásai Kérdés: Mit nevezünk sugárzásnak? Válasz: Térben és időben terjedő energia Hogyan jellemezhetjük? Az energiát hordozó részecskék a., típusa b., energia szerinti (spektrális) eloszlása c., intenzitása (fluxusa) alapján

Forrásaik alapján: a., atommag eredetű (nukleáris) alfa, béta, gamma, neutron, proton b., elektron-héj eredetű röntgen, Auger, UV c., atomok, molekulák gerjesztéséből származó UV, VIS, IR d., elektromágneses térrel kapcsolatos mikro-, rádió-hullámok e., atomok, molekulák kollektív mozgásából eredő hanghullámok

Hatásuk alapján: a., Közvetlenül ionizáló (alfa, béta, gamma, röntgen, UV) b., Közvetve ionizáló (neutron) c., Nem ionizáló (UV, VIS, IR, mikro, rádió és hanghullámok)

Az atommag kötési energiája: Nukleáris sugárzások 1896 - Becquerell:==> RADIOAKTIVITÁS -Léteznek nem stabil atomok, amelyek spontán bomlanak Hogyan jellemezhetjük a stabilitás mértékét? Az atommag kötési energiája:

Az egy nukleonra eső átlagos kötési energia a tömegszám függvényében

N/Z változása a rendszám függvényében

-bomlás Nagy energiájú részecskék (3-9MeV) Spektrális eloszlásuk vonalas N E

Alfa Sugárzás Leány mag 231Th Kiindulási mag 235U Alfa részecske Hélium atommag

-bomlások Nagy energiájú elektronok (0.01-3MeV) Folytonos energiaspektrum (Emax).

Béta negatív részecske (elektron) Béta sugárzás 40Ca 40K Béta negatív részecske (elektron)

-bomlások

Elektron befogás K L K L XC

-bomlás, izomer átalakulás Nagy energiájú fotonok Vonalas spektrum Belső konverzió Konverziós elektron sugárzás

Gamma sugárzás Gamma sugarak 60Co 60Ni

Neutron sugárzás Neutrínó sugárzások Forrásai: spontán neutronbomlás (137Xe)--> reaktormérgek maghasadás (spontán, atomreaktorok) (a,n) magreakciók (hordozható neutronforrások) Neutrínó sugárzások Forrásai: radioaktív bomlások kozmikus (nap)

Töltött részecske sugárzások Lineáris gyorsító Ciklotron

Röntgensugárzás 1895 W.C. Röntgen német fizikus: légritkított kisülési csövek vizsgálata közben fedezte fel. Karakterisztikus (elem analitika) Fékezési (diagnosztika)

Fékezési Röntgensugárzás keletkezése elektron Cél atommag W, Cu, Pb X-sugárzás X-sugárzás

Szinkrotronsugárzás relativisztikus sebességű könnyű elemi részecskék (elektronok, pozitronok)  gyorsulásakor (fékezésekor) keletkezik Fluxusa 106-1012 szerese a röntgencsővekének (spektrális fényesség: megadott energiatartományú fotonok száma /s /vertikális szög /horizontális szög /forrás területe) Synchrotron SOLAIL

Szinkrotronsugárzás tulajdonságai Nagy intenzitás Rövid hullámhosszú fotonok melyek behatolnak az anyagba, és kölcsönhatnak az atomokkal Széles spektrális tartomány folytonos energiaeloszlással, monoenergetikus nyalábok széles energiatartományban) Magas polarizációfok az elektronpálya síkjában, amely nagyon fontos a röntgenfluoreszcenciás kísérleteknél a háttér redukciója miatt A röntgensugarak rövid impulzusok formájában emittálódnak, amelyek 1 ns-nál is rövidebbek, és az impulzusok közötti idő 20 ns vagy ennél is több Természetes kollimáció, a röntgensugarak a teljes szögtartományban emittálódnak horizontális irányban, de függőleges irányban jól kollimáltak.

Elektromágneses sugárzások Frekvencia [Hz] Hullám- hossz Sugárzás típusa Sugárzás forrása Foton energia 3*1020 1 pm 1.24 MeV Radioaktív magok gamma elektron fékeződés, belső héjak gerjesztése 3*1017 1 nm röntgen 1.24 keV ibolyán túli (UV) 100 nm külső héj ionizációja ~ 10 eV Látható (VIS) 380-750 nm Nem-ionizáló vörösen inneni (IR) 750 nm - 1 mm molekula rezgések 300 GHz 1 mm 1.24 meV molekula rezgések és forgások 30 GHz mikrohullámok 1 m 1.24 meV 10 MHz elektromos rezgőkörök rádióhullámok 300 kHz 1 km 1.24 neV

A fény Elektromágneses sugárzás l Kettőstermészet Részecsketermészet James Clerk Maxwell (1831 – 1879) l Elektromágneses sugárzás Kettőstermészet Részecsketermészet Albert Einstein (1879 – 1975) 1905: fotoelektromos jelenség ↓ fényenergia-kvantum: foton 1924: minden anyagra: Louis-Victor de Broglie (1892 – 1987)

UV sugárzások típusai (100 - 400 nm) UV-C: 100 - 280 nm UV-B: 280 - 315 nm UV-A: 315 - 400 nm Higanygőz lámpa: A gerjesztett higanygőz többek között UV-t bocsát ki mindhárom tartományban Wood üveg (Na-Ba-Szilikát üveg 9% NiO) Forrásai: 1. Nap 2. Gáztöltésű kisülési csövek (higanygőz) 3. Ívlámpák 4. Plazmavágó berendezések 5. UV lézerek

Izzó tárgyak – Wolfram szál, halogén lámpák Látható fény (400 – 750 nm) Izzó tárgyak – Wolfram szál, halogén lámpák Elektrolumineszcencia, LED- technológia Szín Hullámhossz(nm) Összetétel Kék   In0.06Ga0.94N Zöld 556 GaP1.00As0.00 Sárga 578 GaP0.85As0.15 Narancs 635 GaP0.65As0.35 Vörös 660 GaP0.40As0.60 Infravörös GaAs

Fekete test hőmérsékleti sugárzása Kirchoff: e(l,T)/a(l,T) = anyagfüggetlen E(T)= s T4                  Stefan - Boltzmann törvény Wien-törvénye: lmax= b/T b= állandó

IR sugárzások típusai (750 nm - 1 mm) Közeli (IR-A): 750 nm - 1,4 mm Közepes (IR-B): 1,4 mm - 3 mm Távoli (IR-C): 3 mm - 1 mm Globár: szilícium-karbid kerámia ~ 1600 oC Forrásai: 1. Nap 3. Ívlámpák 4. Villanócsövek 5. Gáztöltésű csövek

Mikrohullámú és rádiófrekvenciás sugárzások Források: mikrohullámú sütők mikrohullámú adatátvitel radar (impulzus modulált) rádióantennák

Mikrohullámú sugárzás keltése Magnetron Mágneses tér körpályára készteti az elektronokat Az üregek előtt elhaladva mikrohullámú sugárzási tér keletkezik

Radióhullámok keltése adóantennák

Egyéb sugárzások Ultrahang: 16 kHz - 20 GHz frekvenciájú rezgések Előállítása: Piezoelektromosság